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三维石墨烯材料的“玻璃转化”效应

相对于传统材料,石墨烯及其相关的二维材料在力学、热动力学以及电学方面具有独一无二的优质特性,在纳米以及工程领域得到广泛的研究和应用。近年来,由石墨烯纳米片组成的三维熔体材料,例如石墨烯“气凝胶”、“油墨”以及“泡沫”等引起了越来越多的关注及研究。人们通常将石墨烯描绘成为刚性的2D晶体材料,但这样的描绘可能会对理解材料的结构及动力学特性产生局限性。事实上,石墨烯极小的弯曲刚度会导致折皱,在某种程度上,人们可以将石墨烯视为二维“聚合物”,以便更好地理解石墨烯的结构及热动力学特性。


尽管大多数早期和当前对三维石墨烯熔体材料的研究主要集中在室温条件,但考虑到其在极端条件下应用的前景,如防辐射、灭火剂及气体过滤等,这些材料在高温下的动力学和热机性能也非常值得深入研究和探索。因此,在更广的温度变化范围内探究和理解这些石墨烯材料对于“结构-性质”关系的延伸至关重要。

图片作者:Radivan Kahraman


美国西北大学(Northwestern University)以及美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology)的研究团队最新的研究首次向大家揭示了石墨烯三维材料具备与高分子聚合物相似的动力学特性。他们利用之前建立的粗粒化分子动力学(CG-MD)及多尺度模拟框架(Carbon, 2015, 82, 103),系统地研究了基于石墨烯的3D材料随温度而变化的结构和动力学性质。利用多尺度模拟,该团队首次发现这些石墨烯3D材料的动力学性能会随着温度下降而显著减慢,并且会经历通常在高分子聚合物中才会出现的“玻璃转化”(Glass Transition)效应。通过多尺度模拟预测的石墨烯熔体材料的“玻璃转化温度”(Tg)约为1600 K,远高于通常链状高分子聚合物的Tg。随着温度接近或者低于Tg,这些三维材料会转变为玻璃化的“泡沫”状态,并且具有较大的自由体积和与常规聚合物相当的剪切模量。这些研究首次揭示了三维石墨烯熔体材料具备与高分子相同的玻璃转化效应,并证明其具有优异的热稳定性,可用于显著提升和改善灭火添加剂以及结构功能材料等的热传导性和机械稳定性。


这一成果近期发表了ACS Nano上,文章的第一作者及通讯作者为博士毕业于美国西北大学、目前刚就职于美国北达科他州立大学(North Dakota State University)的夏文杰教授。


该论文作者为:Wenjie Xia, Fernando Vargas-Lara, Sinan Keten, Jack F. Douglas

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Structure and Dynamics of a Graphene Melt

ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00524


夏文杰博士简介


夏文杰,2016年于美国西北大学土木与环境工程系获得博士学位,随后于美国国家标准与技术研究院参与材料基因计划相关的研究工作,2018年8月起就职于美国北达科他州立大学土木与环境工程系担任助理教授。


夏文杰教授组建的计算动力学及材料课题组(https://www.xia-group.org  )主要的研究领域是通过多尺度模拟和机器学习来设计并提高软物质及多功能结构材料的动力学及力学性能;目前已在相关领域发表论文24篇,包括以第一或者通讯作者发表在ACS Nano、Nano Letters、Macromolecules、ACS Macro Letters、Nanoscale 等;研究成果曾被多家国内外新闻媒体专题报道,获得Walter Murphy奖学金、2015年国家优秀留学生奖学金、美国物理协会Frank J. Padden Jr.奖提名以及美国材料基因计划(Material Genome Initiative)奖学金。


http://www.x-mol.com/university/faculty/49789


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